Лекция 16 (лекции по УГФС), страница 4

Так как длина всех отрезков одинакова, то мост по схеме рис.16.14 сохраняет симметрию на любой частоте. Более того, при идентичных генераторах, в отличие от мостов рис.16.12 и рис.16.13, ток в балластном резисторе рассматриваемого моста отсутствует на любой частоте благодаря перевороту фазы сигнала одного из генераторов за счёт перекрещивания проводов у одного из отрезков. Следовательно, мост по схеме рис.16.4 является более широкополосным, чем все ранее рассмотренные мосты на отрезках линий. Волновое сопротивление двухпроводной линии выбирается из условия , а балластный резистор R_б = R_Н. Ощущаемое генератором сопротивление на средней частоте оказывается активным (резистивным) и равным R_Н. Рассматриваемый мост, в частности, используется для сложения мощностей коротковолновых передатчиков, причём в качестве R_б и R_Н включаются две антенны. Меняя фазу выходных высокочастотных колебаний одного передатчика на 180°, осуществляют перевод работы передатчиков с одной антенны на другую.

В качестве широкополосных мостов в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн (УКВ и СВЧ диапазоны) применяют так называемые квадратурные мосты, выполненные из четвертьволновых отрезков двух связанных линий. При уровнях мощности выше 0,1…1 кВт используют линии с воздушным заполнением, провода которых располагают на определённом расстоянии друг от друга и помещают в общий экран круглой или прямоугольной формы. При меньших уровнях мощности подобные мосты реализуют на полосковых и микрополосковых линиях.

Схема квадратурного моста на четвертьволновых отрезках двух связанных линий показана на рис.16.15. Линии образуются идентичными проводами, и для обеспечения полной симметрии схемы принимается R_б = R_Н.

О собенностью рассматриваемого моста является то обстоятельство, что напряжения генераторов должны быть сдвинуты на π/2 относительно друг друга, то есть, как принято говорить, быть в квадратуре, что и отражено в названии моста. При указанных на рис.16.15 расположениях генераторов Г₁, Г₂, сопротивления полезной нагрузки R_Н и балластного резистора R_б напряжение генератора Г₁ должно отставать от напряжения генератора Г₂ на π/2. Если будет наоборот, то мощности генераторов будут складываться в балластном резисторе.

В квадратурных мостах на четвертьволновых отрезках связанных линий в зависимости от конструкции используемой линии достижима рабочая полоса частот до 50% и более от средней рабочей частоты. Существует много разновидностей подобных мостов.

Любой мост для сложения мощностей двух генераторов в общей нагрузке может быть использован для решения обратной задачи: распределения (деления) мощности одного генератора между двумя нагрузками. Для этого в схеме любого моста на место нагрузки надо включить генератор, а на место генераторов включить нагрузки. Такие устройства известны как делители мощности, а также как направленные ответвители мощности. Таким образом, мосты для сложения мощностей двух (и более) генераторов и делители (распределители) мощности одного генератора на две (и более) нагрузки являются подобными устройствами. Если мощность генератора распределяется между двумя нагрузками поровну, то такие делители мощности часто называют 3-х децибельными (3 дБ) ответвителями.⁸ Соответственно и мосты для сложения мощностей двух идентичных генераторов часто называют 3-х децибельными мостами. Особенно часто такое название используется применительно к квадратурным мостам на связанных линиях. Один из возможных вариантов такого моста рассмотрен нами выше (рис.16.15).

Как уже отмечалось, при сложении мощностей двух генераторов с помощью квадратурного моста выходные напряжения генераторов должны иметь относительно друг друга фазовый сдвиг π/2 или 90°. Так как генераторы обычно идентичные, то на входе одного из них необходимо включить фазовращатель на 90°. Однако, как правило, поступают по-другому: на входе обоих генераторов включают квадратурный мост для деления мощности, который обеспечивает возбуждение генераторов сигналами от общего источника, но со сдвигом по фазе на 90°.⁹ Выходы генераторов объединяются с помощью аналогичного квадратурного моста. Схема подобного устройства показана на рис.16.16. Габариты мостов на входе и выходе генераторов с внешним возбуждением (ГВВ) могут быть разными в зависимости от проходящей через них мощности.

По схеме рис.16.16 строятся мощные транзисторные усилители и выходные каскады телевизионных радиопередатчиков и передатчиков вещания в диапазоне УКВ с использованием частотной модуляции (УКВ ЧМ вещание).

Используя системы мостов для сложения мощностей двух генераторов, можно обеспечить сложение мощностей произвольного числа генераторов и таким образом получить практически любую мощность в нагрузке.

Д
ля сложения мощностей большого числа генераторов широко применяется метод так называемого попарного суммирования, структурная схема которого показана на рис.16.17. Используются мосты М для сложения мощностей двух идентичных генераторов.

Согласно представленной структурной схеме (рис.16.17) мощности Р_Г генераторов суммируются с помощью мостов М₁, М₂, М₃, М₄, на выходах которых получают мощность 2Р_Г. Мощности 2Р_Г суммируются с помощью мостов М₅, М₆, на выходах которых получается мощность 4Р_Г. Мощности 4Р_Г суммируются с помощью моста М₇, на выходе которого получается мощность 8Р_Г.

Метод попарного суммирования позволяет складывать без потерь в балластных резисторах R_б мощности N = 2^k генераторов, где k = 1, 2, 3 и т.д. – число рядов мостов в системе (в системе рис.16.17 k = 3).

На рис.16.18 показана структурная схема так называемого цепочечного метода суммирования мощностей генераторов.

С
помощью моста М₁ суммируются равные мощности Р_Г. На выходе моста обеспечивается мощность 2Р_Г. Мосты М₂, М₃, М₄ предназначены для суммирования без потерь в балластных резисторах R_б неравных мощностей. Чем ближе к выходу, тем сильнее неравенство суммируемых мощностей: мост М₂ суммирует мощности Р_Г и 2Р_Г, мост М₃ суммирует мощности Р_Г и 3Р_Г, мост М₄ суммирует мощности Р_Г и 4Р_Г. Этим методом, в принципе, можно суммировать мощности любого числа генераторов, причём не обязательно одинаковой мощности. Однако, если суммируемые с помощью моста мощности сильно различаются, то появляются трудности в реализации такого моста, обусловленные, в частности, большим различием необходимых сопротивлений, включаемых в ветвях (плечах) моста. Очевидно, в схеме рис.16.18 наибольшие трудности возникнут при реализации моста М₄: самый мощный и с самым большим различием складываемых мощностей.

Для суммирования мощностей любого числа генераторов как с равными, так и с неравными мощностями более удобным оказывается метод смешанного суммирования, структурная схема которого показана на рис.16.19.

В случае идентичных генераторов мосты М₁, М₂, М₃ суммируют одинаковые мощности Р_Г, обеспечивая на выходах мощности 2Р_Г. Мост М₅ суммирует одинаковые мощности 2Р_Г, обеспечивая на выходе мощность 4Р_Г. Мост М₄ суммирует неравные мощности: 2Р_Г и Р_Г, обеспечивая на выходе мощность 3Р_Г. Мост М₆ также суммирует неравные мощности: 4Р_Г и 3Р_Г, обеспечивая на выходе мощность 7Р_Г.

Нетрудно видеть, что при всех рассмотренных выше методах суммирования мощностей N генераторов требуется (N – 1) мостов и (N – 1) балластных резисторов R_б. Полезная нагрузка подключается к выходу системы мостов.

Сложение мощностей одинаковых генераторов при числе N > 2 можно также осуществить путём построения единого мостового устройства (МУ) на основе мостов с поворотной (радиальной) симметрией, прототипами которых служат мосты для N = 2 с симметричными относительно нагрузки входами. Примерами таких мостов являются Т-мосты на сосредоточенных элементах (рис.16.5) и Т- или U-мосты на четвертьволновых отрезках одиночных линий (рис.16.9).

Н а рис.16.20 представлено МУ на основе Т-моста по схеме рис.16.5,а для сложения мощностей трёх генераторов (N =3). Балластные резисторы R_б и конденсаторы С_б могут быть соединены по схеме N-угольника, как показано на рис.16.20, или по схеме N-лучевой звезды. Возможно также соединение этих элементов по схеме полного многоугольника. Выбор схемы соединения балластных сопротивлений определяется удобством реализации конструкции и возможностью сокращения длин соединений. Параметры элементов R_б, С_б зависят от схемы их соединения. Рассмотрение этих вопросов выходит за рамки настоящей лекции.

Читателю предлагается изобразить конструкции МУ на основе Т- или U-мостов из четвертьволновых отрезков линий (рис.16.9) для сложения мощностей трёх (N =3) и четырёх (N =4) генераторов.

Нетрудно видеть, что МУ на мостах с поворотной (радиальной) симметрией как минимум требует включения N балластных резисторов при включении их по схеме N-угольника или N-лучевой звезды,¹⁰ тогда как устройства по схемам рис.16.17 – рис.16.19 требуют включения (N – 1) балластных резисторов.

Таковы основные общие положения и принципы построения мостов и мостовых устройств разных диапазонов частот для сложения мощностей двух и произвольного числа генераторов. Представленные сведения позволят читателю принципиально разобраться с работой не только рассмотренных выше мостов и мостовых устройств, но и различных их вариантов и модификаций, которые встречаются в учебниках, учебных пособиях и специальных работах.

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 16:

1. Почему сложение электромагнитных полей в пространстве, создаваемых N идентичными передатчиками,
эквивалентно увеличению мощности в N² раз? Попробуйте пояснить это.

2. Любым известным вам методом убедитесь, что при выполнении условия (16.1) ток одного генератора от-
сутствует в ветви включения другого.

3. Определите входные сопротивления моста (рис.16.3) при обрыве и коротком замыкании одного из гене-
раторов. Сравните результаты с (16.2) для каждого генератора.

4. Используя (16.3), оцените КПД моста при разных значениях А и , например, указанных в лекции.

5. Приняв в схеме моста (рис.16.3) Х₁ = Х₂ = Х и |X| = R_б = R_Н, определите входные сопротивления моста
(рис.16.3) для каждого из генераторов. Представьте каждое из входных сопротивлений в виде последова-
тельного и параллельного соединений активных и реактивных составляющих. Сделайте выводы.

6. Определите входные сопротивления мостов рис.16.5 в номинальном режиме, при коротком замыкании и
обрыве одного из генераторов. Сделайте выводы.

7. Обозначив Z^*_{ВХ Г1} = и Z^*_{ВХ Г2} = , получите выражение для баланса моста рис.16.4.

8. Определите входное сопротивление относительно генератора в схеме рис.16.11,б. Сделайте вывод.

9. Представьте эквивалентные схемы мостов рис.16.12 и рис.16.13 на средней частоте в номинальном ре-
жиме и при коротком замыкании одного из генераторов. Определите входные сопротивления моста для
каждого режима.

10. Определите параметры сигнала при Е₁ = Е₂ и Е₁ ≠ Е₂. Сделайте выводы.